伺服系统工作原理

第一部分：伺服系统的工作原理伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内的"位置"、"速度"、"转矩" 三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。

在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制。一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式，用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。『伺服机构系统』源自servomechanism system，系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统。一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、控制器(controller)等几个部分，受控体系指被控制的物件，例如一格机械手臂，或是一个机械工作平台。致动器的功能在於主要提供受控体的动力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱动方式，一般称之为油压伺服系统。目前绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，特别设计应用於伺服系统的马达称之为伺服马达(servo motor)，通常内含位置回授装置，如光电编码器(optical encoder)或是解角器(resolver)，目前主要应用於工业界的

伺服马达包括直流伺服马达、永磁交流伺服马达、与感应交流伺服马达，其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。控制器的功能在於提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、与位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器(servo drive)通常包含了控制器与功率放大器。一个传统伺服机构系统的组成如图1所示，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器，伺服控制器通常包含速度控制器与扭矩控制器，马达通常提供类比式的速度回授信号，控制界面采用±10V的类比讯号，经由外回路的类比命令，可直接控制马达的转速或扭矩。采用这种伺服驱动器，通常必须再加上一个位置控制器(position controller)，才能完成位置控制。图2所示是一个现代的伺服机构系统架构图，其中的伺服驱动器包含了伺服控制器与功率放大器，伺服马达提供解析度的光电编码器回授信号。图1. 一个传统伺服机构系统的组成图 2. 现代伺服机构系统的组成多轴运动控制系统精密伺服系统多应用於多轴运动控制系统，如工业机器人、工具机、电子零件组装系统、PCB自动差建机等等。图3所示是一个运动控制平台的方块图，工作物件的位置控制可藉由平台的移动来达成，平台位置的侦测有两种方式，一种是藉由伺服马达本身所安装的光电编码器，由於是以间接的方式回授工作物件的位置，再藉由闭回路控制达到位置控制的目的，因此也称之为间接位置控制

(indirect position control)。另一种方式是直接将位置感测元件安装在平台上，如光学尺、雷射位置感测计等等，直接回授工作物件的位置，再藉由闭回路控制达到位置控制的目的，称之为直接位置控制(direct position control)。一个多轴运动控制系统由高阶的运动控制器(motion controller)与低阶的伺服驱动器(servo drive)所组成，运动控制器负责运动控制命令解码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要关键在於降低整体系统运动控制的路径误差；伺服驱动器负责伺服马达的位置控制，主要关键在於降低伺服轴的追随误差。图5所示是一个双轴运动控制系统的简化控制方块图，在一般的情况下x-轴与y-轴的动态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时(contouring control)，会造成显著的误差，因此必须设计一个运动控制器以整体考量的观点解决此一问题。图3. 双轴运动控制系统图 4. 双轴运动控制系统的简化控制方块图图 5. 网路控制分散式伺服系统图 6. 伺服系统的整合图7. 伺服系统的阶层式控制架构图8. 伺服系统的环状多回路控制架构图9. 现代伺服系统的阶层式控制介面图10. 直流伺服驱动器的系统方块图图11. 交流伺服驱动器的系统架构图图12. 泛用型伺服驱动器的系统架构图图13. 一个典型闭回路控制系统的方块图图14. 伺服系统的环状多回路控制架构图15. 一个典型的多回路直流伺服系统控

制方块图图16. 实用的工业数位伺服控制法则图17. 伺服马达驱动系统的自调控制架构图18. 数位马达控制技术的演进图19. 以DSP为核心的伺服系统解决方案图20. DSP数位伺服驱动器的硬体电路图(TI Application Note) The Resolver ?6?1 The resolver is essentially a rotating transformer ?6?1 Very rugged device - no electronic or optical components ?6?1 Provides absolute position within a revolution ?6?1 Frameless resolvers mount directly on the motor shaft without the need for couplings ?6?1 Preferred solution for general purpose applications Excitation Sine Cosine Three Primary Control Variables Position Velocity Torque Closed Loop Control FEEDBACK Compensator Commanded Velocity Drive Actual Velocity Velocity Error + - Motor FB Velocity Feedback The Position Servo Compensator Commanded Position Drive Actual Position Position Error + - Motor FB Position Feedback The Three Loops Position Velocity Torque 伺服驱动器控制原理图Velocity Command To Inner Loop Actual Position Motor FB + - + - + - Pcomp Vcomp Icomp Actual Velocity Current Command To Inner Loop Vder* Actual Current + Motor FB + - Vcomp Icomp Vderived - Pderived Controller Drive Current Limit Velocity Command Position Feedback + -

Pcomp Vff + + Velocity Command Architecture 2 速度控制结构 2 + - Pcomp Vff + Motor FB + - Vcomp Icomp Vderived - + Pderived Controller Drive Velocity Command Position Feedback Velocity Feedforward Lexium 24V Fuses Contactor Choke Motor Brake Motor Connection Brake Timing Enable Input Speed Brake Output Enable Power Section Emergency Stop - Preferred Lexium 24V Fuses Contactor Motor 3 Phase Contactor Dynamic Braking Resistors Motor Feedback Options Encoder Resolver Motor Overtemperature Lexium 24V Fuses Contactor Motor Feedback and Overtemperature Power Internal Memory Working Memory Non Volatile Defaults The Step Response ?6?1 How a control loop responds to a small step change is a good indicator of how well the system has been tuned ?6?1 The rise-time (tr) is shorter if the bandwidth is high ?6?1 The higher the proportional gain the higher the bandwidth ?6?1 The red curve shows some ringing and indicates that we are starting to see some phase shift. The green curve shows a critically damped control loop with close to the ideal response ?6?1 In practice a small amount of ringing is acceptable since the rise-time is a little shorter i.e. faster response Time Actual Velocity Ringing Tr

Tuning - The Golden Rules ?6?1 Command the System to Do Only What it is Capable of – If the motor and drive is incorrectly sized for the desired motion profile no amount of tuning will yield the desired results ?6?1 Tune Inside Out – It is essential to tune the inner loops first. A common mistake is to have a low bandwidth, poorly tuned velocity loop then try to tune the position loop. The position loop can never be properly tuned because of the phase shift in the inner loop ?6?1 Proper Grounding and Shielding –Great care must be taken in following the grounding and shielding procedures in the installation manual. If there is excessive system noise the system must be detuned (low bandwidth) so that it is not excited by high frequency noise ?6?1 Robust Mechanical Design –Ensure that there is minimum flexibility in the mechanical system and that couplings are tight. Without a good mechanical design, resonances will be introduced which again force system detuning Velocity Control Architecture + + - P+I P+I Vderived - Pderived Position Feedback Proportional Plus Integral Velocity Loop Position Control Architecture + - P+I Vff + + - P P+I Vderived - + Pderived Position Feedback Proportional Velocity Loop Oscilloscope Time Velocity

Oscilloscope Operating Modes ?6?1 Reversing - step change in velocity ?6?1 Constant speed ?6?1 Constant torque ?6?1 Constant current The Current Loop ?6?1 The current loop is configured automatically when the motor is selected. It is usually not necessary to modify parameters. Optimizing Velocity Loop Step Response ?6?1 Proportional Gain – Higher proportional gain results in faster rise time but more overshoot and ringing. The optimum response is a small amount of overshoot with minimal ringing ?6?1 Integral Gain – Higher integral gain improves immunity to disturbances but increases ringing. In a high friction system the integral gain can be increased more significantly Time Velocity The Position Loop ?6?1 The integral term moves from the velocity loop to the position loop. It should normally be increased 2-3 times the value from the optimized speed loop. A higher integral gain reduces following error but increases ringing ?6?1 The proportional gain may require no adjustment. A higher gain reduces following error bu increases ringing ?6?1 Following error is significantly reduced by Vff which normally requires no adjustment from the default 第二部分：伺服电机的工作原理无刷永磁电机原理图Rotor

Magnets 3 Phase Stator Windings Phase A Phase B Phase C Motor Inertia m F Force = mass x linear acceleration J T Torque = inertia x angular acceleration Step 2 Step 3 Step 4 Step 1 步进电机原理图Servo/Stepper Comparison Feature Servo Stepper Torque/Speed Excellent Limited Efficiency High Low Position Information Yes Possible Lost Steps Ease of Use Requires Tuning Very Simple Settling Time Excellent Poor to Fair Cost Higher Lower Position Resolution High Limited Resonances Low High Velocity Ripple Excellent Poor Runaway Take Precautions Inherently Safe DC Permanent Magnet Motor - Theory of Operation N S + _ Magnetic Field Around Rotor Coil Permanent Magnet Stator Brush Commutator Rotor Coils Multiple Poles and Coils S N S N S N Feedback Devices Explain the feedback concepts of resolution, accuracy and repeatability Discuss resolvers and encoders and how they work Compare feedback options and review relative benefits Resolution Higher Resolution Lower Resolution Accuracy Higher Accuracy Lower Accuracy ?6?1 Accuracy defines how close each measured position is to the actual physical position ?6?1 The higher accuracy example has a tighter tolerance for the placement of each increment

Repeatability High Repeatability ?6?1 In the example above, the accuracy is poor but the repeatability is good Incremental, Absolute and Multiturn Position Change Actual Position Within Revolution Incremental Absolute Multiturn Actual Position Over Multiple Revolutions The Incremental Encoder Sensor 1 Sensor 2 Moving Disk Light Source Sensor 1 Sensor 2 ?6?1 The encoder uses optical scanning of a fine grating in the form of a moving disc ?6?1 The incremental encoder can only measure position changes ?6?1 Digital pulse ouputs are typically provided which can be counted by the controller ?6?1 A third sensor is often used to generate a marker pulse at a specific position within a revolution The Absolute Encoder ?6?1 The absolute encoder has multiple disks which completely define position within a revolution ?6?1 With mechanical gearing of the disk to another moving disk it is possible to define position over multiple revolutions ?6?1 The encoder interface to the is typically Endat/Hyperface or SSI 总结?6?1 交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子两种结构?6?1 形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个?6?1 绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相

差90°电角度。固定和保?6?1 护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普?6?1 通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯?6?1 形转子3和内定子5三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同，?6?1 转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成空心杯形状，杯子底部固定在转?6?1 轴7上。空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此转动惯量很小。内定子由硅钢?6?1 片叠压而成，固定在一个端盖1、8上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。电?6?1 机工作时，内、外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转?6?1 动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放?6?1 在内、外定子铁心的槽内。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机?6?1 无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流?6?1 伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它?6?1 已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动?6?1 机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。?6?1 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组?6?1 通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋?6?1 转磁场以

同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场?6?1 分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电?6?1 流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方?6?1 向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信?6?1 号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产?6?1 生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋?6?1 转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向?6?1 相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向?6?1 旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不?6?1 等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转?6?1 动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及?6?1 其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电?6?1 压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺?6?1 服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是?6?1 脉动磁场，转子很快地停下来。?6?1 为使交流伺服电机具有控

制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电?6?1 阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制?6?1 信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可?6?1 视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。图3-13画出正向及反向旋转磁场?6?1 切割转子导体后产生的力矩一转速特性曲线1、2，以及它们的合成特性曲线?6?1 3。图3-13b 中，假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A 点，?6?1 此时负载力矩是。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为?6?1 正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线3运行。由于转?6?1 子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方?6?1 向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。?6?1 必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

阀控液压马达速度伺服系统仿真分析 引言 阀控液压马达速度伺服系统的负载具有较大的惯性和很小的阻尼，其传递函数常可近似由一对实部为零的极点组成，并有很低的动态响应，由于负载处在系统的闭环之中，所以它对阀控液压马达的动态品质有很大的影响。此外，系统的负载常是可变的，系统设计只能针对一种特定负载，负载一旦改变，系统的动态品质就会变坏，有时甚至失去稳定性，严重的影响了伺服系统的跟踪性能。本文主要针对干扰力矩对系统的影响，利用结构不变性原理，消除干扰力矩对系统的影响，同时利用PID 控制理论来提高系统的动态性能。 1 阀控液压马达速度伺服系统模型建立 阀控液压马达速度伺服系统的结构如图1所示。 液压马达的力矩方程为： f m m s l m T G s C J P +++=θ)(D （1） 负载流量方程为： l e m m l tm l sP V s D P C βθ4Q +== （2）

伺服阀的线性流量方程为： L p x l P K x k Q -= （3） 电液伺服阀近似看成二阶振荡环节： 1 22^2^)()(++= s S K s i s x sv sv sv sv v ωξω （4） 伺服放大器输出电流ΔI 与输入电压Ue 近似成正比，其传递函数可用伺服放大器增益Ka 表示： 错误!未指定书签。 但通常的速度控制系统采用积分放大器，对原系统加以校正才能稳定工作。校正后的积分放大器增益Ka 表示为： 测速机速度传感器（测速机）的数学模型为： 错误!未指定书签。 在上述公式中：v x 为电液伺服阀阀芯位移；i 为电液伺服阀输入电流；v sv k s sv ωξ、、分别为电液伺服阀的增益、阻尼系数和固有频率；m D 为马达排量；L Q 为马达的负载流量； x K 为流量增益系数；p K 为流量一压力系数；只为供油压力；s P 为负 载压力；m θ为马达转速；e β为从油液有效体积弹性模数；V 为马达的总容积；J 为折算到马达输出轴上的转动惯量；f T 为外干扰力矩； tm C 为马达泄露系数；m C 为粘性阻尼系数；G 为扭簧梯度。Ue 为积分 放大器额定电压，；Ka 为积分放大器增益。错误!未指定书签。为传感器电压；错误!未指定书签。为速度传感器增益。

交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 4. 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降， 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧 只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000 r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足

液压伺服系统工作原理 1.1 液压伺服系统工作原理 液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。 液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统的工作原理可由图1来说明。 图1所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。在大口径流体管道1中，阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。这个系统的输入量是电位器5的给定值x i。对应给定值x i，有一定的电压输给放大器7，放大器将电压信号转换为电流信号加到伺服阀的电磁线圈上，使阀芯相应地产生一定的开口量x v。阀开口x v使液压油进入液压缸上腔，推动液压缸向下移动。液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。液压缸的向下移动，使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。同时，液压缸活塞杆也带动电位器6的触点下移x p。当x p所对应的电压与x i所对应的电压相等时，两电压之差为零。这时，放大器的输出电流亦为零，伺服阀关闭，液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。 图1 管道流量（或静压力）的电液伺服系统 1—流体管道；2—阀板；3—齿轮、齿条；4—液压缸；5—给定电位器；6—流量传感电位器；7—放大器；8—电液伺服 阀 在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反馈控制。反馈信号与给定信号符号相反，即总是形成差值，这种反馈称之为负反馈。用负反馈产生的偏差信号进行调节，是反馈控制的基本特征。而对图1所示的实例中，电位器6就是反馈装置，偏差信号就是给定信号电压与反馈信号电压在放大器输入端产生的△u。 图2 给出对应图1实例的方框图。控制系统常用方框图表示系统各元件之间的联系。上图方框中用文字表示了各元件，后面将介绍方框图采用数学公式的表达形式。 液压伺服系统的组成 液压伺服系统的组成 由上面举例可见，液压伺服系统是由以下一些基本元件组成；

第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置

伺服电机原理 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广 3、无自转现象

一、交流伺服电机结构图 二、原理 交流伺服电机在定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无"自转"现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大, 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广. 3、无自转现象) 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W 的小功率控制系统。

液压伺服系统 液压伺服系统是以高压液体作为驱动源的伺服系统，是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 一、液压伺服系统的基本组成 液压伺服系统无论多么复杂，都是由一些基本元件组成的。如图就是一个典型的伺服系统，该图表示了各元件在系统中的位置和相互间的关系。 （1）外界能源—为了能用作用力很小的输入信号获得作用力很大的输出信号，就需要外加能源，这样就可以得到力或功率的放大作用。外界能源可以是机械的、电气的、液压的或它们的组合形式。 （2）液压伺服阀—用以接收输入信号，并控制执行元件的动作。它具有放大、比较等几种功能，如滑阀等。 （3）执行元件—接收伺服阀传来的信号，产生与输入信号相适应的输出信号，并作用于控制对象上，如液压缸等。 （4）反馈装置—将执行元件的输出信号反过来输入给伺服阀，以便消除原来的误差信号，它构成闭环控制系统。 （5）控制对象—伺服系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被调量(或被控制量)，如机床的工作台、刀架等。 二、液压伺服系统的分类 液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统，分为机械液压伺服系统和电气液压伺服系统（简称电液伺服系统）两类。 电液伺服系统 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力（或力矩）控制系统。 如图是一个典型的电液位置伺服控制系统。图中反馈电位器与指令电位器接成桥式电路。反馈电位器滑臂与控制对象相连，其作用是把控制对象位置的变化转换成电压的变化。反馈电位器与指令电位器滑臂间的电位差（反映控制对象位置与指令位置的偏差）经放大器放大后，加于电液伺服阀转换为液压信号，以推动液压缸活塞，驱动控制对象向消除偏差方向运动。当偏差为零时，停止驱动，因而使控制对象的位置总是按指令电位器给定的规律变化。 电液伺服系统中常用的位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等。伺服放大器为伺服阀提供所需要的驱动电流。电液伺服阀的作用是将小功率的电信号转换为阀的运动，以控制流向液压动力机构的流量和压力。因此，电液伺服阀既是电液转换元件又是功率放大元件，它的性能对系统的特性影响很大，是电液伺服系统中的关键元件。液压动力机构由液压控制元件、执行机构和控制对象组成。液压控制元件常采用液压控制阀或伺服变量泵。常用的液压执行机构有液压缸和液压马达。液压动力机构的动态特性在很大程度上决定了电液伺服系统的性能。 为改善系统性能，电液伺服系统常采用串联滞后校正来提高低频增益，降低系统的稳态误差。此外，采用加速度或压力负反馈校正则是提高阻尼性能而又不降低效率的有效办法。

液压伺服工作原理 1.1 液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。 液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统的工作原理可由图1来说明。 图1所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。在大口径流体管道1中，阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。这个系统的输入量是电位器5的给定值 x i 。对应给定值x i ，有一定的电压输给放大器7，放大器将电压信号转换为电流 信号加到伺服阀的电磁线圈上，使阀芯相应地产生一定的开口量x v 。阀开口x v 使液压油进入液压缸上腔，推动液压缸向下移动。液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。液压缸的向下移动，使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。同时，液压缸 活塞杆也带动电位器6的触点下移x p 。当x p 所对应的电压与x i 所对应的电压相 等时，两电压之差为零。这时，放大器的输出电流亦为零，伺服阀关闭，液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。 图1 管道流量（或静压力）的电液伺服系统 1—流体管道；2—阀板；3—齿轮、齿条；4—液压缸；5—给定电位器；6—流量传感电位器；7—放大器；8—电液伺服阀 在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反

伺服电机原理及选型规则
2011-8-4 8:00:00 来源：
［摘要］：是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装 置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属 于功率很小的微特电机，以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。 ［关键词］：伺服系统 发动机 马达 变速装置 伺服电机 什么是伺服电机？ 伺服电机：是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装 置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属 于功率很小的微特电机，以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。 伺服电机的作用：伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确。 伺服电机的分类：直流伺服电机和交流伺服电机。 直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转 矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点，但换向电刷 的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。 近年来出现的无刷直流伺服电机避免了电刷 摩擦和换向干扰， 因此灵敏度高， 死区小， 噪声低， 寿命长， 对周围电子设备干扰小。 直流伺服电机的输出转速/输入电压的传递函数可近似视为一阶迟后环节，其机 电时间常数一般大约在十几毫秒到几十毫秒之间。而某些低惯量直流伺服电机（如空 心杯转子型、印刷绕组型、无槽型）的时间常数仅为几毫秒到二十毫秒。 小功率规格的直流伺服电机的额定转速在 3000r/min 以上，甚至大于 10000r/min。因此作为液压阀的控制器需配用高速比的减速器。而直流力矩伺服电机 （即低速直流伺服电机）可在几十转/分的低速下，甚至在长期堵转的条件下工作， 故可直接驱动被控件而不需减速。 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护， 但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感 的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩 稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换 相。 电机免维护， 效率很高， 运行温度低， 电磁辐射很小， 长寿命， 可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同 步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着 功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子 在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈 值与目标值进行比较， 调整转子转动的角度。 伺服电机的精度决定于编码器的精度 （线

https://www.docsj.com/doc/e118245010.html,/ebook/2007/B10036766/5.html https://www.docsj.com/doc/e118245010.html,/ebook/2007/B10036766/5.html https://www.docsj.com/doc/e118245010.html, 伺服电机的工作原理2008-04-10 10:42伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小的体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但

伺服驱动器的工作原理 。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的死循环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。换一种说法是：

1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为 2、5Nm:如果电机轴负载低于 2、5Nm时电机正转，外部负载等于 2、5Nm时电机不转，大于 2、5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过实时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。 3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位回馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由

伺服系统的速度控制模式运行 2010-01-03 19:52 一、实训目的： 伺服控制系统的功能很广，有速度控制模式，转矩控制模式，位置控制模式以及这三种模式的组合模式，本项目练习速度控制模式，通过实训理解速度控制模式下的伺服电机的运行特点。 二、实训任务。 在速度控制模式下，能完成7段调速以及电位器调速。 三、相关知识。 1、理解伺服电机和伺服驱动器的控制原理。 2、理解伺服驱动器的参数设置要求，和每调参数对系统运行情况的影响。 3、速度控制模式的使用场合。以及速度控制模式的特点。 四、实训设备。 由伺服驱动器MR-J2S-10A、伺服电机HC-MFS13B、DC24V电源、接触器、中间继电器、按钮等组成的实训板。万用表、螺丝刀等。 五、实训步骤。 1、画出控制系统的原理图并接线。 （1）系统控制主电路（如图2-1）。 (2)系统控制回路(如图2-2). 2.设置参数. 首先将设置参数 NO.19=000E,然后再设置下表2-1中的参数，设置完毕后，把系统断电，重新启动，则参数有效。 表2-1 速度控制模式要设置的参数

NO.11 加速时间常数0 1000 1000ms NO.12 减速时间常数0 1000 1000ms NO.25 模拟量速度指令 最大速度0 4000 模拟量输入为10V时对 应速度是4000r/min NO.41 用于设定SON、 LSP、LSN的自动 置ON 0000 0111 SON、LSP、LSN内部自动 置ON. NO.43 输入信号选择2 0111 0AA1 在速度模式、转矩模式 下把CN1B-5改成SP3 NO.72 内部速度4 200 2000 速度是2000r/min NO.73 内部速度5 300 3000 速度是3000r/min NO.74 内部速度6 500 2500 速度是2500r/min NO.75 内部速度7 800 1800 速度是1800r/min 图2-1 系统控制主电路

伺服电机的工作原理图 伺服电机工作原理——伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。 1、永磁交流伺服系统具有以下等优点： （1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单； （2）定子绕组散热快； (3)惯量小，易提高系统的快速性； （4）适应于高速大力矩工作状态； （5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2、交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

第十章液压伺服系统 一、名词解释 1、伺服控制 2、液压伺服控制系统 3、滑阀的压力-流量特性 4、滑阀的流量放大系数 5、滑阀的压力放大系数 二、问答题 1、液压伺服系统有由哪几部分组成？各部分的功能是什么？ 2、伺服系统的基本类型有哪些？ 3、为什么说伺服阀是液压伺服系统的最关键元件？ 4、液压伺服阀有哪几种？滑阀式液压伺服阀与换向滑阀有什么本质区别？ 5、滑阀式液压伺服阀的阀口与换向阀的阀口有什么不同？ 6、电液伺服阀由哪几部分组成（以二级放大式为例）？各部分的作用是什么 7、液压仿形刀架的液压伺服系统为何将伺服滑阀的阀体和液压缸的缸体固连成一体？若将它们分成 两部分，仿形刀架能否工作？为什么？ 8、何为伺服阀的零位特性？为什么零位阀系数对液压伺服系统的稳定性是至关重要的？ 9、在力反馈电液伺服阀中，什么叫力反馈？力反馈是通过什么元件实现的？ 三、计算题 1、已知一电液伺服阀在线性区内工作，当输入电流为20mA、伺服阀的压降为5Mpa时，输出的负载流量为60L/min，则当输入电流为100mA、伺服阀的压降为10Mpa时，其输出流量为多少？ 2、如图所示的电液位置控制系统为轧机辊缝调节控制系统,它由辊缝调节螺钉1、支撑辊2、轧辊 3、板材 4、电液伺服阀 5、调整油缸 6、伺服放大器 7、同位素测厚仪8等组成。板材经轧机连轧后由厚板变为薄板，轧后板材的厚度由测厚仪检测出来，若加工后板材的厚度与要求不符，则由电液伺服阀控制调整油缸驱动支撑辊和轧辊，调节轧辊间的距离。写出其控制原理方块图，标明控制信号的传递过程，并说明系统工作原理。如图所示的电液位置控制系统为轧机辊缝调节控制系统,它由辊缝调节螺钉1、支撑辊2、轧辊3、板材4、电液伺服阀5、调整油缸6、伺服放大器7、同位素测厚仪8等组成。板材经轧机连轧后由厚板变为薄板，轧后板材厚度由测厚仪检测出来，若加工后板材的厚度与要求不符，则由电液伺服阀控制调整油缸驱动支撑辊和轧辊，调节轧辊间的距离。写出 其控制原理方块图，标明控制信号的传递过程，并说明系统工作原理。速度均为0.075m/s，工作进 - 1 -

交流伺服电机的基本结构与工作原理 交流伺服电机通常都是单相异步电动机,有鼠笼形转子和杯形转子两种结构形式。与普通电机一样,交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组,即励磁绕组和控制绕组,两个绕组在空间相差90°电角度。固定和保护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4,杯形转子3和内定子5三 部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同,转子则由非磁性导电材料(如铜或铝制成空心杯形状,杯子底部固定在转轴7上。空心杯的壁很薄(小于 0.5mm,因此转动惯量很小。内定子由硅钢片叠压而成,固定在一个端盖1、 8上,内定子上没有绕组,仅作磁路用。电机工作时,内﹑外定子都不动,只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转动。对于输出功率较小的交流伺服电机,常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定子铁心的槽内。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是,交流伺服电机必须具备一个性能,就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象,即无控制信号时,它不应转动,特别是当它已在转动时,如果控制信号消失,它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后,如控制信号消失,往往仍在继续转动。当电机原来处于静止状态时,如控制绕组不加控制电压,此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速,向相反方向旋转,所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组(或杯形壁并感应出大小相同,相位相反的电动势和电流(或涡流,这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反,合成力矩为零,伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号,控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下,电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等(与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大,与原转向相反的反转磁场小,但以相同的速度,向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等(正转者大,反转者小合成力矩不为零,所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来,随着信号的增强,磁场接近圆形,此时正转磁

第九章液压伺服系统 第一节概述 伺服系统又称随机系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。液压伺服系统是以液压为动力的自动控制系统，由液压控制和执行机构所组成。 一、液压伺服系统的工作原理 图9-1为一简单的机液位置伺服系统的原理图。 当伺服滑阀处于中间位置（xv＝0）时，各阀口均关闭，阀没有流量输出，液压缸不动，系统处于静止状态。给伺服滑阀阀芯一个输入位移xi，阀口a、b便有一个相应的开口量xv，使压力油经阀口b进入液压缸的右腔，其左腔油液经阀口a回油池，液压缸在液压力的作用下右移x0，由于滑阀阀体与液压缸体固连在一起，因而阀体也右移x0，则阀口a、b的开口量减小（xv＝xi－x0），直到x0＝xi时，xv＝0，阀口关闭，液压缸停止运动，从而完成液压缸输出位移对伺服滑阀输入位移的跟随运动。若伺服滑阀反向运动，液压缸也作反向跟随运动。由上可知，只要给伺服滑阀以某一规律的输入信号，执行元件就自动地、准确地跟随滑阀按照这个规律运动。 图9-1机液位置伺服系统原理图 1－溢流阀 2－泵 3－阀芯 4－阀体（缸体） 由此可以看出，液压伺服系统有如下特点： 1．跟踪系统的输出量能够自动地、快速而准确地跟踪输入量的变化规律。 2．放大移动阀芯所需的力很小，只需要几牛顿到几十牛顿，但液压缸输出的力却很大，可达数千到数万牛顿。功率放大所需要的能量是由液压泵供给的。 3．反馈把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，和输入信号作比较，这就是反馈。回送的信号称为反馈信号。若反馈信号不断地抵消输入信号的作用，则称为负反馈。负反馈是自动控制系统具有的主要特征。图9－1中的负反馈是通过阀体和缸体的刚性连接来实现的，液压缸的输出位移y连续不断地回送到阀体上，与阀芯的输入位移x相比较，其结果使阀的开口减小。此例中的反馈是一种机械反馈。反馈

交流伺服电机的工作原理概述 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品 化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到 7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。 以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中 期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列 有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。 日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL 系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。 德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。 德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。 德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和ServodynSM

液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 4.1 全面理解设计要求 4.1.1 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 4.1.2 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 4.1.3 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有